專利名稱：一種改善非正弦周期信號電液激振控制波形的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電液比例控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及土力學(xué)抗震試驗(yàn)中非正弦周期性載荷的 激振控制，尤其是一種在現(xiàn)有電液比例控制硬件條件下改善非正弦周期信號電液激振控制 波形、提高控制精度的方法。
背景技術(shù)：
隨著國內(nèi)城市建設(shè)的飛速發(fā)展，高速公路、高速鐵路、地鐵、隧道、地下商場和大跨 度橋梁等工程越來越多，許多巨大而復(fù)雜的巖土工程也隨之涌現(xiàn)，土體在動力作用下的穩(wěn) 定和變形問題變得越來越重要，特別是由地震、風(fēng)載荷和海浪等不同形式的振動載荷所引 起的地基失效、基礎(chǔ)的失穩(wěn)以及變形等問題急需解決，而對于這些復(fù)雜的土動力學(xué)問題的 研究主要是通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬試驗(yàn)來進(jìn)行。周期性載荷作用下土體的強(qiáng)度和變形特性的研究是當(dāng)今土體力學(xué)研究最重要的 環(huán)節(jié)。通常情況下利用液壓伺服裝置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)產(chǎn)生周期性載荷，如正弦波、三角波、鋸齒 波、矩形波等，用于研究土體的強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變性能和其它力學(xué)性能。液壓伺服控制的周期 性載荷加載設(shè)備在巖土工程抗震領(lǐng)域稱為“動三軸試驗(yàn)儀”。實(shí)現(xiàn)周期性載荷的液壓加載設(shè)備主要由液壓油源、放大器、油缸、控制閥、拉壓傳 感器、位移傳感器、控制器、信號發(fā)生器等組成。目前，比例控制技術(shù)成為了液壓傳動控制發(fā) 展新的主流方向，許多液壓加載控制裝置采用比例控制閥，比例控制閥具有控制精度高、抗 污染能力強(qiáng)、成本低廉等特點(diǎn)，但是比例控制閥的頻寬較窄，一般小于20Hz。理論上講正弦 激振信號的激振控制是不存在失真現(xiàn)象，正弦信號對液壓激振裝置的頻響特性無要求。而 激振頻率大于IHz的三角波、鋸齒波、矩形波等非正弦信號在液壓激振系統(tǒng)頻帶寬度較窄 時波形畸變明顯，存在明顯的失真問題。當(dāng)前，為解決這個問題通常采用下面硬件升級的方法，即采用高頻響伺服控制閥， 大幅提高整個系統(tǒng)頻帶寬度。但是，采用高頻響伺服控制閥不但成本昂貴而且對液壓油的污染等級要求高，這 大大增加了整個裝置保養(yǎng)、維護(hù)、運(yùn)行的成本。這種升級后的激振控制裝置對運(yùn)行環(huán)境苛 刻，不利于普及和推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種改善非正弦周期信號電液激振控制波形的方法，解決了目 前采用比例控制閥的土力學(xué)抗震試驗(yàn)裝置激振非正弦周期波形時的畸變和失真問題，改變 了只能通過硬件升級的現(xiàn)狀。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案考慮到非正弦周期信號屬于周期信號，周期 信號都滿足狄里赫利條件，可以進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解。因此可以利用軟件改善電液激振控 制系統(tǒng)頻響特性，通過改變輸入波形來校正輸出波形。本發(fā)明在現(xiàn)有比例控制閥的硬件條 件下，提出增加自動補(bǔ)償器從而改善非正弦周期信號電液激振控制波形的新方法，如圖1所示，具體步驟為步驟1、正弦波法測定電液比例控制激振控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻響特性；步驟2、繪制系統(tǒng)幅頻譜和相頻譜特征曲線；步驟3、根據(jù)最小二乘法擬合幅頻譜和相頻特性曲線，并得到相應(yīng)的多項(xiàng)式，為保 證擬合精度可分段擬合；步驟4、將非正弦周期信號進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解；步驟5、計(jì)算每一階諧波的幅值和相位的初始量；步驟6、利用步驟3得到的擬合多項(xiàng)式計(jì)算每一階諧波的幅值和相位的變化量；步驟7、針對有限區(qū)間的諧波進(jìn)行幅值和相位修正；步驟8、疊加修正后信號作為電液激振控制系統(tǒng)的輸入信號；步驟9、測控結(jié)果對比分析。本發(fā)明的效果和益處是該方法無需升級硬件結(jié)構(gòu)采用高頻響的伺服閥，改變軟 件算法設(shè)計(jì)一個自動補(bǔ)償器改善了非正弦周期信號波形，達(dá)到與升級硬件一樣的效果。裝 置的保養(yǎng)、維護(hù)、運(yùn)行的成本不變，改造成本低廉，便于普及和推廣。


圖1是帶有自動補(bǔ)償器電液比例控制激振裝置原理圖。圖中電液比例控制激振裝置主要由電液比例閥、功率放大器、油缸、AD/DA、控制 器、信號發(fā)生器、自動補(bǔ)償器等組成。與常見電液比例控制原理圖相比增加了一個自動補(bǔ)償 器，這個自動補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)方法是本發(fā)明的核心。自動補(bǔ)償器將標(biāo)準(zhǔn)非正弦周期信號進(jìn)行 修正，實(shí)際輸入電液比例控制激振裝置的信號是經(jīng)過自動補(bǔ)償器修正過的信號，與原標(biāo)準(zhǔn) 非正弦周期信號有顯著區(qū)別。傳統(tǒng)的控制理念要求輸入信號與輸出信號越接近越好，而本 發(fā)明修正的輸入信號與輸出信號差別較大，改變了傳統(tǒng)的控制理念。圖2是修正信號疊加合成后結(jié)果與原三角輸入信號對比圖。圖中橫坐標(biāo)代表時間，縱坐標(biāo)代表力。非正弦周期波形為三角波，頻率為2Hz。實(shí) 線是采用此發(fā)明方法時自動補(bǔ)償器輸出的波形，虛線是不采用此發(fā)明方法時波形。圖3是采用本發(fā)明方法實(shí)際結(jié)果與原有實(shí)際結(jié)果的對比圖。圖中橫坐標(biāo)代表時間，縱坐標(biāo)代表力。實(shí)線是采用此發(fā)明方法時輸出的激振波 形，虛線是不采用此發(fā)明方法時輸出的激振波形。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。以2Hz的三角波激振信號為例詳細(xì)敘述。另外，其他不同頻率的非正弦周期信號 的具體實(shí)施方式
與三角波相同。在一次完整的土力學(xué)抗震分析用電液激振控制實(shí)驗(yàn)中，可以通過利用正弦波法測 定土力學(xué)抗震分析用電液激振系統(tǒng)的幅頻譜和相頻譜。測定方法具體如下從系統(tǒng)最低測量頻率fmin = 0. OlHz到最高測量頻率fmax = 50Hz，逐步增加正弦激勵信號頻率f，記錄下各頻率對應(yīng)的幅值比和相位差如下表，以橫坐 標(biāo)為頻率縱坐標(biāo)分別為幅值比和相位差可以繪制得到系統(tǒng)幅頻和相頻特性圖。
4 表正弦激勵法得到的各頻率對應(yīng)的幅值比和相位差 根據(jù)最小二乘法擬合幅頻譜和相頻特性曲線，為了保證擬合精度在頻率IOHz處 進(jìn)行了分段處理，得到相應(yīng)6階多項(xiàng)式如下結(jié)果幅頻譜擬合結(jié)果 上式x為頻率，y為幅值比。相頻譜擬合結(jié)果 上式x為頻率，y為相位差。在土力學(xué)抗震分析用電液激振控制實(shí)驗(yàn)中，典型周期性三角波形的數(shù)學(xué)表達(dá)式如 下
其中=Ttl代表三角波的周期，A代表三角波形的幅值. 下面對周期性三角波進(jìn)行頻譜分析 根據(jù)傅立葉級數(shù)的三角函數(shù)展開式 分別求a0, an禾口 bn 常值分量 余弦分量的幅值 正弦分量的幅值 周期性三角波的傅立葉級數(shù) 根據(jù)公式⑶可以看出周期性三角波是由一系列余弦諧波組成，所有典型非正弦 周期信號都可以分解為余弦或正弦諧波和的形式。根據(jù)公式(8)分別做出周期性三角波的 幅頻譜和相頻譜。根據(jù)幅頻譜擬合多項(xiàng)式和相頻譜擬合多項(xiàng)式計(jì)算每一階諧波的幅值和相 位修正值。為了方便說明此方法，計(jì)算時取值A(chǔ)= lkN，計(jì)算過程具體如下(選取不同的激振
頻率)當(dāng)激振三角波信號Ttl = 0. 5s時，f = 2Hz
根據(jù)電液激振控制系統(tǒng)的頻譜圖，僅考慮頻帶寬度f< 50Hz內(nèi)的頻譜即可滿足要 求，f > 50Hz的頻譜幅值大大衰減對波形的畸變影響小當(dāng)激振頻率f = 2Hz 時，η = 1，3，5，...25，諧振頻率分別為:f= 2,6,10，14，18，22，26，30，34，38，42，46，50Hz。分別在f = 2，6，10，14，18，22，26，30，34，38，42，46，50Hz 處根據(jù)擬合多項(xiàng)式(1) 和(2)計(jì)算每一階諧波的幅值比和相位差，這即是幅值比和相位差的修正量。根據(jù)各諧波幅值和相位的修正量修正各諧波波形，具體方式為采用反向補(bǔ)償?shù)?方式，對于輸入的各諧波信號初始幅值除以各幅值修正量，輸入的各諧波信號初始相位減 去各相位修正量即可。最后將修正后的各諧波進(jìn)行疊加。修正后的諧波波形疊加后與原三 角波形輸入信號對比圖如圖2所示，修正后的波形為實(shí)線，原三角波形為虛線。從圖2中可 以看出，修正后的波形與原三角波形有較大的變化，修正后的波形不再是規(guī)則的三角波形。圖3為采用本發(fā)明方法的輸出結(jié)果與原有輸出結(jié)果的對比圖，本發(fā)明方法的輸出 結(jié)果為實(shí)線，原有輸出結(jié)果為虛線。從圖3中可以明顯地看到采用本發(fā)明方法可以明顯地 改善非正弦周期信號波形的形狀提高控制精度，從而改善了電液控制系統(tǒng)的頻響特性。本發(fā)明方法通過修正控制輸入的信號，改善了系統(tǒng)的頻響特性，明顯提高非正弦 周期信號的控制精度，大大減小了波形的畸變。
權(quán)利要求
一種改善非正弦周期信號電液激振控制波形的方法，有利于改善電液激振系統(tǒng)的頻響特性、提高非正弦周期信號激振控制的精度，在不升級硬件的前提下結(jié)合非正弦周期信號的特征構(gòu)造自動補(bǔ)償器，其特征在于以下步驟步驟1、測定電液系統(tǒng)閉環(huán)頻響特性利用正弦波法測定現(xiàn)有土力學(xué)抗震分析用電液激振控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻響特性；步驟2、繪制頻譜特性曲線繪制電液激振控制系統(tǒng)的幅頻譜和相頻譜特征曲線；步驟3、最小二乘法分段擬合幅頻譜和相頻譜得擬合多項(xiàng)式公式根據(jù)幅頻譜和相頻譜特征曲線/數(shù)據(jù)，利用最小二乘法為保證擬合精度分段擬合分別得到相應(yīng)的多項(xiàng)式公式；步驟4、分解信號將三角波、矩形波、鋸齒波等非正弦周期信號進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，得到各諧波分量的幅值和初始相位；步驟5、計(jì)算補(bǔ)償量/修正量根據(jù)擬合多項(xiàng)式計(jì)算每一階諧波的幅值和相位的變化量，計(jì)算時選取有限區(qū)間，最大諧波頻率一般不超過土力學(xué)抗震分析用電液激振控制系統(tǒng)帶寬的3倍；根據(jù)計(jì)算結(jié)果修正輸入信號的幅值和相位；步驟6、重新合成信號作為自動補(bǔ)償器的輸出疊加修正后的各諧波分量，修正后信號作為電液激振控制系統(tǒng)的實(shí)際輸入信號，實(shí)現(xiàn)信號的合成。
全文摘要
一種改善非正弦周期信號電液激振控制波形的方法，屬于電液比例控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及土力學(xué)抗震試驗(yàn)中非正弦周期性載荷的激振控制。其特征是該方法設(shè)計(jì)了自動補(bǔ)償器，將標(biāo)準(zhǔn)非正弦周期信號修正成新的控制輸入信號，作為電液激振控制系統(tǒng)的實(shí)際輸入值。利用狄里赫利條件和傅立葉級數(shù)理論，定義了一種新的修正波形的概念。借助正弦波形測定電液激振控制系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，采用最小二乘法完成擬合工作，建立了基于幅值和相位補(bǔ)償?shù)姆椒?，?shí)現(xiàn)了控制輸入信號的修正。本發(fā)明的效果和益處是無需升級硬件結(jié)構(gòu)，改造成本低廉，僅需改變軟件算法設(shè)計(jì)一個自動補(bǔ)償器達(dá)到與升級硬件一樣的效果，便于推廣和應(yīng)用。
文檔編號H03B28/00GK101917163SQ20101024209
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者桑勇, 祝艷鳳, 邵龍?zhí)?申請人:大連理工大學(xué)